Ketoza (metabolizm)

Ketoza – stan metaboliczny, w którym dochodzi do wzrostu stężenia ciał ketonowych (kwas 3-hydroksymasłowy, kwas acetooctowy i aceton) w osoczu krwi – powyżej 0,5 mmol/litr, z jednoczesnym niskim i stabilnym poziomem insuliny i glukozy we krwi^[1][2]. Zwykle stężenie ciał ketonowych w osoczu – u zdrowych ludzi w warunkach spoczynkowych na czczo – jest niskie i wynosi od 0,1 do 0,3 mmol/litr, a tempo ich produkcji jest równe tempu ich metabolizowania^[3]. W przeciwieństwie do stanu glikolizy, gdzie energetyka organizmu zorientowana jest na glukozę, w stanie ketozy do celów energetycznych wykorzystywane są ciała ketonowe pochodzące z utleniania wolnych kwasów tłuszczowych^[4]. Większość komórek ludzkiego ciała ma dostęp do energii pochodzącej zarówno z glukozy, jak i z tłuszczu i ketonów. Niektórzy badacze uważają, że związki ketonowe są preferencyjnie wykorzystywane w stosunku do glukozy np. przez mięsień sercowy czy korę nerek^[5]. Proporcje poszczególnych składników determinują sposób wykorzystania ich przez komórkę. Przy ograniczonej dostępności glukozy, a zwiększonej podaży tłuszczów głównym paliwem energetycznym stają się ciała ketonowe^[6]. Ketoza może utrzymywać się jako stan długotrwały w wyniku głodówki lub pozostawania na diecie niskowęglowodanowej. Natomiast celowo indukowana ketoza służy jako interwencja medyczna, np. przy lekoopornej padaczce czy przy różnych typach cukrzycy^[7]. Ketoza zachodzi również po treningu fizycznym^[8].

Ketogeneza

Ketogeneza jest procesem powstawania ciał ketonowych w organizmie. W warunkach prawidłowego odżywiania i przy prawidłowym dostarczeniu węglowodanów większość wolnych kwasów tłuszczowych ulega reestryfikacji do triglicerydów, a tylko niewielka część podlega utlenieniu do dwutlenku węgla lub uwalnianiu do krwi. W stanie głodu lub ograniczenia spożycia węglowodanów większość kwasów tłuszczowych wraca do krwi lub zostaje utleniona. Utlenienie kwasów tłuszczowych odbywa się w mitochondriach, a aktywacja kwasów tłuszczowych w cytoplazmie komórkowej^[9]. Jedynym narządem organizmu zdolnym do wytwarzania znacznych ilości związków ketonowych jest wątroba. Tylko jej komórki zawierają odpowiednią ilość syntazy hydroksymetyloglutarylo-koenzymu A – regulatorowego enzymu w procesie syntezy tych związków. W pewnych warunkach metabolicznych, związanych z istotnym nasileniem utleniania kwasów tłuszczowych, wątroba wytwarza znaczne ilości kwasu acetooctowego i beta-hydroksymasłowego. Kwas acetooctowy ulega ciągłej samoistnej przemianie (dekarboksylacji) do acetonu. Kwas acetooctowy i kwas beta-hydroksymasłowy są wzajemnie przekształcane pod wpływem mitochondrialnego enzymu dehydrogenezy betahydroksymasłowej. Stosunek tych dwóch metabolitów w surowicy wynosi zazwyczaj ok. 1:2, ale może wahać się od 1:1 do 1:10. Ponadto obecne jest mniejsza ilość acetonu (stanowi ok. 2% w stosunku do wspomnianych kwasów)^[9]. Produkowane w mitochondriach komórek wątroby związki ketonowe szybko dyfundują do krwi i mogą być ważnym substratem do tlenowej resyntezy ATP w niektórych tkankach^[10].

Ketoza odżywcza

Ketoza odżywcza (diabetyczna) jest narzędziem fizjologicznym i służy do osiągania biologicznej optymalizacji pracy ustroju oraz do odblokowania pokładów energetycznych w organizmie^[11]. Wprowadzenie organizmu w stan ketozy – w którym następuje zmiana orientacji energetycznej z glukozy na ketony – osiąga się na drodze żywienia nisko-węglowodanowego, wysoko-tłuszczowego i odpowiednio-białkowego^[12]. W modelu diety ketogennej (opracowanej w 1921 jako element wspomagający leczenia epilepsji u dzieci)^[13] podaż tych składników odżywczych ma ściśle określone proporcje – np. dieta OleoKeto – 2:1 (tłuszcze:suma węglowodanów i białek) – oraz ilości (75–90% energii czerpanej z tłuszczów, pozostała ilość z sumy węglowodanów i białek)^[13]. W ciągu pierwszych 3 dni stosowania diety ketogenicznej następuje obniżenie poziomu glukozy we krwi, a mózg sięga po alternatywne paliwo komórkowe – 25% energii czerpie z ciał ketonowych (adaptacja). Po około 4 dniach poziom ten podnosi się do 70% energii czerpanej z ketonów^[14]. Do korzystania z ketonów adaptują się również mięśnie szkieletowe i mięsień sercowy. We krwi obserwuje się obniżenie poziomu insuliny (hormon anaboliczny produkowany w odpowiedzi na podwyższenie się poziomu glukozy we krwi, przyspiesza jej transport do komórek w celu zmagazynowania w mięśniach i wątrobie, następstwem tego jest obniżenie poziomu glukozy we krwi) oraz podwyższenie stężenia glukagonu (hormon antagonistyczny do insuliny, wzmaga utlenianie kwasów tłuszczowych). Wobec zmniejszonego zapotrzebowania na glukozę dochodzi do wyhamowania procesu glukoneogenezy – syntetyzowania glukozy z jej niecukrowych prekursorów, w tym aminokwasów, co zapobiega rozpadowi białek mięśniowych^[15].

Ketoza kliniczna

Ketoza indukowana w celach medycznych znajduje zastosowanie w terapii:

• epilepsja – ketoza koreluje ze spadkiem częstotliwości/zahamowaniem napadów padaczkowych. Mechanizm dietoterapii dietą ketogenną w tym przypadku nie jest do końca wyjaśniony^[16].
• nowotwory – komórki nowotworowe nie są zdolne do czerpania energii z ciał ketonowych, w przeciwieństwie do komórek zdrowych, co skutkuje ich obumieraniem^[17].
• cukrzyca – ograniczenie podaży węglowodanów sprzyja kontroli glikemii w przebiegu cukrzycy^[18].
• otyłość – ketoza hamuje odczuwanie głodu, mobilizuje organizm do zużywania zapasów glikogenu i uwalniania wody związanej. Ketony są wyprowadzane nie tylko z tłuszczów dostarczanych wraz z pożywieniem, ale także z wolnych kwasów tłuszczowych pochodzących z adipocytów^[19].
• choroby neurodegeneracyjne (choroba Alzheimera, choroba Parkinsona, ALS) – neuroprotekcyjne działanie ketozy – spowalnianie/hamowanie procesu śmierci komórek na drodze apoptozy^[16].

Ketoza powysiłkowa

Obciążenie organizmu wysiłkiem fizycznym prowadzi do szeregu zmian metabolicznych, hormonalnych, krążeniowych i oddechowych. Wzrost stężenia we krwi związków ketonowych stwierdzono po 1 godzinie od chwili przerwania wysiłku^[20]. Passmore i Johnson nazwali to zjawisko ketozą powysiłkową^[21]. Dziś dowodzi się, że ketoza po aktywności fizycznej występuje wcześniej, a jej nasilenie jest większe po długotrwałych ćwiczeniach o umiarkowanej intensywności w porównaniu z krótkotrwałymi wysiłkami o dużej intensywności. Mechanizmem stojącym za powysiłkową ketozą może być obniżenie rezerw węglowodanowych organizmu oraz zmiany stężenia wielu hormonów we krwi, zbliżone do tych obserwowanych podczas głodu lub stosowania diety niskowęglowodanowej^[20].

Ketoza a kwasica ketonowa

Ketoza odżywcza jest naturalnym stanem fizjologicznym organizmu, kwasica ketonowa – niebezpiecznym stanem chorobowym. Nie są to stany tożsame, łączy je jedynie obecność ketonów w ustroju.

Kwasica może występować w przebiegu cukrzycy jako odpowiedź na znaczny niedobór lub brak insuliny^[22]. Wówczas dochodzi do zaburzeń biochemicznych i klinicznych w ustroju:

• hiperglikemia (zwykle > 11 mmol/l i więcej);
• kwasica metaboliczna (pH < 7,3 i/lub HCO3 < 15 mmol/l);
• masywna glikozuria z ketonurią oraz odwodnienie (≥ 5%);
• ± wymioty;
• ± senność^[23][24].

W przeciwieństwie do kwasicy ketonowej, w ketozie odżywczej stężenie ciał ketonowych jest znacznie niższe i nie dochodzi do stałej zmiany pH krwi^[25].

Przypisy

Bibliografia

• John M.J.M. Freeman John M.J.M., Eric H.E.H. Kossoff Eric H.E.H., Adam L.A.L. Hartman Adam L.A.L., The ketogenic diet: one decade later, „Pediatrics”, 119 (3), 2007, s. 535–543, DOI: 10.1542/peds.2006-2447, PMID: 17332207 .
• The International Institute for Medical ScienceTruth about ketones&kethosis. Cambridg, 2016. [dostęp 2017-04-07].
• Volek J.V.J. S. Volek J.V.J., Phinney S.P.S. D Phinney S.P.S., Art and Science of Low Carbohydrate Living, Beyond Obesity LLC, 2011 .brak strony (książka)